BIODIGESTOR ANAERÓBICO PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS …
59
UNIVERSIDAD ESTATAL DEL SUR DE MANABÍ Facultad de Ciencias Naturales y de la Agricultura Carrera de Ingeniería en Medio Ambiente TESIS DE GRADO: PREVIO LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN MEDIO AMBIENTE TEMA: “BIODIGESTOR ANAERÓBICO PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN EL CANTÓN SANTA ANA SITIO MONTE OSCURO” Autor: Yanny Dayan Alvarez Macias TUTOR: Ing. Margarita Lino García Mg. A.A. Jipijapa - Manabí – Ecuador 2019 - 2020
Transcript of BIODIGESTOR ANAERÓBICO PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS …
UNIVERSIDAD ESTATAL DEL SUR DE MANABÍ
Facultad de Ciencias Naturales y de la Agricultura
Carrera de Ingeniería en Medio Ambiente
TESIS DE GRADO:
PREVIO LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
INGENIERO EN MEDIO AMBIENTE
TEMA:
“BIODIGESTOR ANAERÓBICO PARA LA
PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN EL CANTÓN SANTA
ANA SITIO MONTE OSCURO”
Autor:
Yanny Dayan Alvarez Macias
TUTOR:
Ing. Margarita Lino García Mg. A.A.
Jipijapa - Manabí – Ecuador
2019 - 2020
ii
CERTIFICACIÓN DEL TUTOR
La suscrita Mg. AA. Margarita Jesús Lino García, tiene bien en certificar que
el Proyecto de Investigación titulado “BIODIGESTOR ANAERÓBICO
PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN EL CANTÓN SANTA ANA SITIO
MONTE OSCURO”, cuyo autor es el señor Yanny Dayan Alvarez Macias, ha
concluido a satisfacción su trabajo de investigación bajo mi dirección y
responsabilidad, ajustándose a lo establecido en el reglamento de la Carrera
de Ingeniería en Medio Ambiente de la Universidad Estatal del Sur de
Manabí, certifico en honor a la verdad, para el interesado haga uso que a
bien tuviera.
Mg. AA. Margarita Jesús Lino García
TUTORA DE TESIS
iii
APROBACIÓN DEL TRIBUNAL DE TITULACIÓN
Trabajo de Titulación
Modalidad: Proyecto de Investigación
“BIODIGESTOR ANAERÓBICO PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN
EL CANTÓN SANTA ANA SITIO MONTE OSCURO”
Nosotros, Tribunal de Titulación, designado por la Comisión de Titulación de
la carrera de Ingeniería en Medio Ambiente, después de escuchar la
exposición y defensa del trabajo antes mencionado, lo DECLARAMOS
APROBADO
Lic. Mayckel Calero Silva ______________________ Miembro del Tribunal
Ing. Rodrigo Paul Cabrera Verdezoto ____________________ Miembro del Tribunal
Ing. Augusto Rafael Fienco Bacusoy. MsC. ___________________ Miembro del Tribunal
iv
DECLARATORIA SOBRE LOS DERECHOS DE
AUTOR
Quien suscribe Alvarez Macias Yanny Dayan, en calidad de autor de la siguiente
investigación titulada “Biodigestor anaeróbico para la producción de biogás en el
Cantón Santa Ana sitio Monte Oscuro”, otorga a la Universidad Estatal del Sur de
Manabí de forma gratuita y no exclusiva, los derechos de reproducción y distribución
pública de la obra, que constituye un trabajo de autoría propia.
El autor declara que el contenido que se anunciará es de carácter académico
investigativo y se enmarca en las disposiciones definidas por la “UNESUM”. Se autoriza
a realizar las adaptaciones pertinentes para permitir su preservación, distribución y
publicación en el Repositorio Digital Institucional de la UNESUM.
El autor como titular de la tesis y en relación con la misma, declara que la UNESUM se
encuentra libre de todo tipo de responsabilidad sobre el contenido de la investigación y
que asume la responsabilidad frente a cualquier reclamo o demanda por parte de
terceros de manera exclusiva.
Aceptando esta autorización, del presente proyecto de tesis a la UNESUM el derecho
exclusivo de archivar y publicar para ser consultado y citado por terceros mundialmente
en formado electrónico a través de su Repositorio Digital Institucional, de conformidad a
lo dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.
Jipijapa, octubre de 2020
Yanny Dayan Alvarez Macias C.I. 1312129644 AUTOR DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
v
DEDICATORIA
El presente trabajo lo dedico a Dios por acompañarme siempre a lo largo de
mi vida, a mis padres por su sacrifico y apoyo incondicional, a mi esposa e
hijo por estar junto a mí en todo momento, a mis familiares y amigos por su
motivación constante.
Dayan Alvarez Macias
vi
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por ser mi guía, por darme sabiduría y fuerza en toda mi
trayectoria, a mis padres por ser parte fundamental en mi vida y por darme
una educación haciendo sacrificios para darme lo mejor e inculcarme todos
esos valores que me han ayudado a formarme como persona.
A mi esposa e hijo, por su fortaleza y empuje para cada proyecto que
emprendo. A toda mi familia por ser parte de mi vida, por estar en cada
momento especial que he vivido desde mi infancia hasta la actualidad.
A mi tutora la Mg. Margarita Lino por tutelarme para poder realizar este
proyecto, gracias a su conocimiento y experiencia. A la Universidad Estatal
del Sur de Manabí por acogerme y permitir que me forme como profesional,
junto a todos mis docentes especialmente a la Ing. Yamel Álvarez y el Dr.
Arturo Hernández porque se han comprometido con la universidad y la carrera
brindándome su apoyo en cada momento y siempre pensando en lo mejor
para todos.
vii
ÍNDICE
CERTIFICACIÓN DEL TUTOR ...................................................................... ii
APROBACIÓN DEL TRIBUNAL DE TITULACIÓN ........................................ iii
DECLARACIÓN SOBRE LOS DERECHOS DE AUTOR .............................. iv
DEDICATORIA .............................................................................................. v
AGRADECIMIENTO ..................................................................................... vi
RESUMEN ..................................................................................................... x
ABSTRACT................................................................................................... xi
INTRODUCCIÓN ........................................................................................... 1
CAPÍTULO I ................................................................................................... 2
1. PROBLEMATIZACIÓN .................................................................... 3
1.1. Planteamiento del Problema ............................................................ 3
1.2. Formulación del problema ............................................................... 3
1.3. Objetivo General ............................................................................. 3
1.4. Objetivos Específicos ...................................................................... 3
1.5. Justificación ..................................................................................... 4
1.6. Delimitación de la Investigación ....................................................... 4
CAPÍTULO II .................................................................................................. 5
Marco teórico ................................................................................................. 5
2.1. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA ...................................................... 6
2.1.1. Biodegradación ............................................................................... 6
2.1.2. Digestión anaeróbica ....................................................................... 6
2.1.3. Etapas de la digestión anaeróbica ................................................... 6
2.1.3.1. Hidrólisis .......................................................................................... 6
2.1.3.2. Acidogénesis ................................................................................... 7
2.1.3.3. Acetogénesis ................................................................................... 7
2.1.3.4. Metanogénesis: ............................................................................... 8
2.1.4. Parámetros que afectan a la digestión anaeróbica .......................... 8
2.1.4.1. Temperatura .................................................................................... 8
2.1.4.2. pH ................................................................................................... 9
2.1.4.3. Relación nutritiva C/N ...................................................................... 9
viii
2.1.4.4. Presión ......................................................................................... 10
2.1.4.5. Tiempo de retención hidráulica (TRH): ......................................... 10
2.1.4.6. Tasa de carga orgánica (TCO): .................................................... 10
2.1.4.7. Alcalinidad .................................................................................... 11
2.1.4.8. Toxicidad ...................................................................................... 11
2.1.5. Biogás .......................................................................................... 12
2.1.6. Modelos de digestión anaeróbica ................................................. 13
2.1.7. Demanda de oxígeno biológico y químico .................................... 13
2.1.8. Diseño básico del digestor ............................................................ 15
2.1.8.1. Una etapa vs. Dos etapas ............................................................ 15
2.1.8.2. Húmedo vs Seco .......................................................................... 15
2.1.8.3. Alimentación por lotes .................................................................. 15
2.1.8.4. Ventajas de los digestores por lotes ............................................. 16
2.1.8.5. Desventajas de los digestores por lotes ....................................... 16
2.1.9. Digestores de carga continua ....................................................... 17
2.1.9.1. Agitación ...................................................................................... 19
2.1.9.2. Encima o abajo tierra .................................................................... 19
2.2. FUNDAMENTACIÓN LEGAL ....................................................... 20
CAPÍTULO III .............................................................................................. 23
Marco metodológico .................................................................................... 23
3. Marco Metodológico ..................................................................... 24
3.1. Tipo de investigación .................................................................... 24
3.2. Enfoque de la investigación ........................................................... 24
3.3. Diseño de la investigación ............................................................ 25
3.4. Ubicación geográfica de la investigación ...................................... 25
3.5. Técnicas e instrumentos de recolección de información ................ 26
3.5.1. Técnicas ....................................................................................... 26
3.5.2. Materiales utilizados en el biodigestor .......................................... 26
3.5.3. Costo operacional......................................................................... 27
3.5.4. Análisis estadístico de los datos ........................................................ 28
3.5.5. Métodos analíticos........................................................................ 29
3.5.6. Propiedades del residuo orgánico ................................................ 30
ix
CAPÍTULO IV ............................................................................................. 31
Análisis y discusión de los resultados ......................................................... 31
4. Análisis y discusión de los resultados ........................................... 32
4.1. Resultados del primer objetivo ..................................................... 32
4.1.1. Proceso de construcción .............................................................. 32
4.1.2. Inoculación ................................................................................... 33
4.1.3. Variación del pH ........................................................................... 34
4.1.4. Variación de temperatura ............................................................. 35
4.2. Resultados del segundo objetivo .................................................. 35
4.2.1. Producción de gas ........................................................................ 36
4.3. Resultados del tercer objetivo ...................................................... 37
5. CONCLUSIONES ......................................................................... 39
6. RECOMENDACIONES ................................................................ 40
7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................. 41
ANEXOS ..................................................................................................... 45
x
RESUMEN
La producción de biogás procedente de residuos orgánicos es una alternativa
ambiental para reducir el consumo de gas fósil, así como un tratamiento eficaz
en la reutilización de los desechos generados por las actividades
antropogénicas. Por lo cual el trabajo realizado se basa en el diseño de un
biodigestor anaeróbico para la producción de biogás en el sitio Monte Oscuro
del cantón Santa Ana. Los resultados obtenidos cumplieron con las
expectativas planteadas, tomando en cuenta que tiene un enfoque alternativo
de bajo costo para la digestión anaeróbica y la producción de biogás. se utilizó
principalmente estiércol bovino como base en el biodigestor durante 20 días
consecutivos, durante este proceso se monitorearon varios parámetros para
el control de la digestión. Los valores que se midieron durante el proceso
fueron el pH, cuyos valores obtenidos se mantuvo en un rango de 6,8 a 7,3;
la temperatura fue un parámetro importante la cual registró fue de 33 grados
como máxima manteniéndose en equilibrio y la presión que permitió
determinar un valor de una producción máxima de 26,8 L/día. La
implementación y la fabricación del biodigestor anaeróbico fue de bajo costo
económico, el cual es evidente tanto en el sentido de coste de materiales
como en la inversión de construcción la cual no supera los cien dólares.
Palabras claves: Digestión anaeróbica, metano, biogás, biomasa.
xi
ABSTRACT
Millions of tons of biomass waste are produced each year, causing a problem
for its disposal at the same time, the world is rapidly depleting its supply of
natural gas, which is known to be the cleanest of fossil fuels. Anaerobic
digestion (AD) is a very promising technology for converting biomass waste
into methane, which can be used directly as an energy source or converted to
hydrogen. This work describes a low-cost alternative approach to anaerobic
digestion and energy production. Which depends mainly on organic materials
obtained from solid materials such as food, agricultural waste, paper, among
others. The present study was carried out at the Monte Oscuro site in the Santa
Ana canton, since there are no industries or hazardous waste produced,
making it a good candidate for biological treatment; About 20 kg of waste and
20 liters of water were used, with a daily supply of 1 L mixed during a period
of 40 days, 2,225 kg of biogas during 40 days 3,178 m3 were produced,
(methane density 0.14 kg / m3 day). As a result, it can be said that each kg of
organic waste can produce 0.22 kg of biogas.
Keywords: Anaerobic digestion, methane, biogas, biomass.
1
INTRODUCCIÓN
A nivel global la contaminación del suelo, el aire y el agua son un problema
en constante crecimiento, que tienen origen en las actividades antropogénicas
municipales, industriales y agrícolas. Un concepto muy amplio utilizado para
la reducción de residuos es el concepto de las cuatro “r”, las cuales son
reducir, reutilizar, reusar y reciclar, que han sido aceptadas como un principio
útil para la manipulación de residuos (Scheutz & Fredenslund, 2019). La
emisión de CO2 y otros gases de efecto invernadero (GEI) se ha convertido
en una cuestión importante, en particular desde que Rusia ratificó el Protocolo
de Kioto, que entró en vigor el 16 de febrero de 2005 (Velázquez de Castro
González, 2005). Por lo tanto, los gobiernos y las industrias están cada vez
más en la búsqueda de tecnologías que permitan un tratamiento de residuos
más eficientes y rentables, minimizando al mismo tiempo los gases de efecto
invernadero.
El uso de los recursos naturales como fuente de energía, ha sido una solución
durante muchos años para satisfacer las necesidades básicas de las
personas. Los derivados del petróleo como los combustibles para motores o
el gas licuado han solucionado estos requerimientos, pero estos no son
renovables ya que el uso de alternativas renovables es una solución a esta
problemática (Abunde Neba et al., 2020). Por lo que el propósito de esta tesis
es desarrollar el diseño de un sistema eficaz de digestión anaeróbica en el
sitio Monte Oscuro del cantón Santa Ana, los residuos orgánicos de digestión
anaeróbica que producirán biogás, permitirán la recuperación de abonos y
proporcionará materiales orgánicos que resultaran beneficios, como el caso
del compostaje subproducto de este proceso que servirá para el
enriquecimiento del suelo, así como alta fertilidad para jardines y la producción
agrícola.
La investigación tiene como además como objetivos la demostración de la
eficacia del digestor anaeróbico como un medio rentable de minimización de
residuos y producción de energía, la descripción de los criterios de diseño
para un rendimiento óptimo y la determinación de su factibilidad económica
para su implementación.
2
CAPÍTULO I
El problema de investigación
3
1. PROBLEMATIZACIÓN
1.1. Planteamiento del Problema
Siendo el Ecuador un país ganadero y agrícola, existe un gran potencial para
la explotación de este tipo de fuente de energía. De hecho, existen
emprendimientos de generación de biogás a partir de la cascarilla de arroz, la
caña de azúcar, entre otros que ya han demostrado la viabilidad de este tipo
de proyectos.
La problemática surge de la necesidad de plantear el diseño y construcción
de un biodigestor, a través del proceso de biodegradación ayudará con la
reducción de los residuos, aprovechando los recursos que se generan de este
proceso para la obtención de biogás y abono, para lo cual se debe controlar
las variables de temperatura, pH y tiempo de retención. Su principal elemento
químico es el metano (CH4), que a través de bacterias metanogénicas
localizadas en los desechos orgánicos producen este tipo de gas para la
generación de energía.
1.2. Formulación del problema
Es viable el diseño de un biodigestor anaeróbico funcional para la producción
de biogás en zonas de bajos recursos económicos en el cantón Santa Ana.
1.3. Objetivo General
Diseñar un biodigestor anaeróbico para la producción de biogás en el sitio
Monte Oscuro del cantón Santa Ana.
1.4. Objetivos Específicos
Describir los criterios de diseño para un rendimiento óptimo.
Demostrar la eficacia del digestor anaeróbico como un medio rentable de
minimización de residuos y producción de energía.
Determinar su factibilidad económica para su implementación.
4
1.5. Justificación
La fabricación de biogás radica específicamente en dos aspectos
fundamentales, como son la fácil obtención de la materia prima (desechos
orgánicos) y el bajo costo de la elaboración del biodigestor. Además, es un
tema de nuestra actualidad que ofrece la apertura de una nueva línea de
investigación, para el tratamiento y eliminación de los residuos orgánicos
municipales que son una problemática constante, así como la minimización
del uso de combustibles de origen fósil como es el petróleo o el uso de carbón
mineral.
Tomando en cuenta que de este modo protegería el medio ambiente, para lo
que se puede destacar otros beneficios como: el mejoramiento de las
condiciones higiénicas, la protección del medio ambiente y la salud, la
utilización del gas metano como fuente alternativa, el empleo del abono como
fertilizante natural. Con el uso de biodigestores se resolverían una serie de
problemas que enfrenta el país tanto en el sector rural como urbano, para lo
que se necesita una tecnología amigable del medio ambiente, la unidad de
producción agropecuaria requiere la maximización del uso de los recursos,
además los requerimientos económicos para inversión son relativamente
bajos, cuando se los compara con los beneficios que se puede obtener al usar
esta tecnología.
1.6. Delimitación de la Investigación
Límite temporal: Este proyecto está considerado para su elaboración en un
tiempo de tres meses.
Límite espacial: Sitio Monte Oscuro del cantón Santa Ana.
.
5
CAPÍTULO II
Marco teórico
6
2.1. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
2.1.1. Biodegradación
La biodegradación es el proceso de digestión de sustancias orgánicas bajo la
acción de microbios y la influencia de enzimas que catalizan el proceso de
degradación en las condiciones operativas adecuadas (Han et al., 2016). Se
están practicando dos tipos de biodegradación que incluyen la digestión
aeróbica en la que los microbios degradan el sustrato en presencia de oxígeno
y digestión anaeróbica en la que los sustratos orgánicos se degradan en
ausencia de oxígeno.
2.1.2. Digestión anaeróbica
Fue descubierta por primera vez cuando las luces fueron observadas desde
la superficie inferior de los pantanos por Plinius y Van Helmont. Durante el año
de 1776, se llegó a la conclusión sobre el fenómeno de la producción de gas
afirmando que la cantidad de liberación de gas es proporcional a la extensión
de la degradación de la materia vegetativa. Durante el lapso de 1804 a 1810
Dalton, Henry y Darvy calcularon la composición química del metano y
concluyeron la similitud entre el carbón y el gas de la marisma Voltas
(Rathnasiri, 2016). Este es el inicio de la comercialización del proceso y
posteriormente el estiércol de vaca se fermentó primero en Francia para
producir el biogás. La calle solía ser iluminada en Inglaterra mediante el uso
del gas producido a partir de la digestión anaeróbica de estiércol animal y
humano. Más tarde llegó la era de los diseños de digestor que podrían llevar
la producción a aplicaciones individuales.
2.1.3. Etapas de la digestión anaeróbica
La digestión anaeróbica implica principalmente 4 etapas de degradación:
2.1.3.1. Hidrólisis
En este proceso complejos compuestos orgánicos biodegradables como
carbohidratos, proteínas y lípidos se degradan en los respectivos monómeros
por FOAB (bacterias anaeróbicas facultativas y obligatorias). Los
7
carbohidratos como la celulosa, la hemicelulosa y el almidón se degradan en
sus monómeros incluyen glucosa, dextrosa y xilosa, mientras que las
proteínas se degradan en 23 tipos de aminoácidos y lípidos se degradan en
glicerol y los otros monómeros correspondientes (Mohammed et al., 2017).
Este proceso requiere un alto contenido de agua y los monómeros resultantes
de la reacción son solubles en agua. Para la degradación completa, los
carbohidratos tardan horas mientras que las proteínas y las grasas toman
tiempo en el orden de los días.
2.1.3.2. Acidogénesis
El proceso de acidogénesis se realiza por la acción de las bacterias aeróbicas
y los monómeros son degradados más en moléculas de cadena corta en este
proceso. Los monómeros de carbohidratos y grasas generalmente producen
ácidos grasos volátiles como ácido acético, ácido butírico, ácido propiónico,
ácido valérico, etc. y los rastros de dióxido de carbono. El aminoácido produce
amoníaco además de dióxido de carbono y ácidos grasos volátiles. El glicerol
produce ácidos grasos volátiles (AGV), etanol y dióxido de carbono. Los
componentes de la fase acidogénica son altamente ácidos en la naturaleza y
si se producen de manera incontrolada, el digestor anaeróbico se convertiría
en sour y la producción de metano se ve significativamente afectada.
2.1.3.3. Acetogénesis
El propósito principal de la acetogénesis es la degradación adicional de los
AGV de orden superior como el ácido butírico, el ácido propiónico y el ácido
valérico, etc., en el ácido acético de hidrógeno y la biomasa microbiana
(Batstone, 2006). El acetato de cianotil es el compuesto utilizado para
representar la biomasa en los modelos de digestión anaeróbica. El proceso
utiliza el amoníaco producido por la degradación del aminoácido para eliminar
la biomasa celular. Por lo tanto, el contenido de proteínas desempeña un
papel fundamental en la cinética de crecimiento celular en el biorreactor de las
bacterias anaeróbicas facultativas y obligatorias (FOAB).
8
2.1.3.4. Metanogénesis:
Los metanógenos necesitan H2 producido en la fase de acetogénesis para la
participación activa de la degradación del ácido acético en el metano y mejorar
su población. La producción de metano se produce principalmente por la
degradación de tres tipos de sustrato con los siguientes grupos funcionales
como tipo de acetato (CH3COO-) realizado por todo tipo de especies
metanogénicas (C. Xiao et al., 2019), tipo CO2 realizado por sólo cierto tipo de
metanol y monómeros agrupados funcionalmente de tipo metilo se degradan
por sólo raros tipos de metanogentanos. Por lo tanto, la suposición clave en
el modelamiento es asumir que la producción de metano tiene lugar
principalmente a partir de ácido acético y en pequeña medida por dióxido de
carbono (CO2).
2.1.4. Parámetros que afectan a la digestión anaeróbica:
2.1.4.1. Temperatura
En función de las temperaturas operativas, los procedimientos de digestión
anaeróbica pueden clasificarse en:
a) Digestión psicófila:
El rango de temperatura de funcionamiento es de 10 a 25 oC y no es posible
en la India (Kim et al., 2006). Este proceso de digestión es económico,
amigable y natural, en los países en condiciones climáticas frías las tasas de
digestión anaeróbica son muy bajas y la producción no es rápida en esta
configuración.
b) Digestión mesofílica:
Este proceso se opera a temperaturas en el rango de 30 a 42 oC y es un
procedimiento espontáneo y adaptable en la India ya que no implica
intercambiadores de alimento y aunque la temperatura del entorno cae por
debajo de este rango, la naturaleza exotérmica de la digestión anaeróbica
libera calor y mantiene la temperatura en el rango de funcionamiento.
9
c) Digestión termofílica:
Este proceso se opera en el rango de 48 a 65 oC y las tasas de digestión son
muy altas la digestión en sí es rápida y 1,5 veces mayor en comparación con
la digestión mesófila. Este proceso funciona en menos tiempo de residencia
y, por lo tanto, en un volumen de reactor en particular (Solé-Bundó et al.,
2019). Los sustratos de tipo grasa se degradan favorablemente en el proceso
termofílico y son económicos sólo en las escalas operativas más grandes. El
rendimiento del biogás es mayor en este proceso.
2.1.4.2. pH
El potencial de hidrogeno (pH) desempeña un papel importante en los
procesos de producción de metano. El pH más bajo da como resultado la
obstaculización de la actividad metanogénica y da lugar a una acumulación
de sólidos volátiles dentro del digestor. El digestor con una capacidad de auto
buffer, podría ser insensible al pH de entrada inferior, por lo que en el digestor
anaeróbico, el amoníaco disuelto contribuye a la naturaleza básica y el dióxido
de carbono disuelto en forma de ácido carbónico que contribuyen al efecto
ácido del digestor (Zhang et al., 2016). La producción equilibrada de amoníaco
y ácido carbónico mantiene el digestor en un rango de pH neutro y operable
para una producción óptima de metano.
2.1.4.3. Relación nutritiva C/N
El carbono y el nitrógeno son las fuentes principales que sirven de
alimentación a las bacterias metanogénicas, donde el nitrógeno es utilizado
para la formación de células nuevas y el carbono constituye la fuente de
energía. La proporción de carbono y nitrógeno en estado acuoso en el sustrato
desempeña un papel significativo en la taza de la producción de gas y los
metabolismos microbianos, una mayor relación C/N (carbono/nitrógeno) da
como resultado una menor disponibilidad de nitrógeno en la multiplicación
microbiana, lo que reduce el crecimiento microbiano y afecta la producción y
degradación. La menor relación C/N se resume en la inhibición del amoníaco
de la producción de metano (Chini et al., 2019). Las bacterias consumen por
lo general 30 veces más carbono que nitrógeno, por lo que una buena relación
10
óptima de estos elementos en la materia prima se lo ha considerado en un
rango entre 30:1 hasta 20:1 (FAO et al., 2011).
2.1.4.4. Presión
La presión que se da dentro del digestor, es de nuevo un parámetro crucial en
el proceso de digestión anaeróbica. Una mayor presión parcial de H2 resultaría
en la actividad mejorada del metanógeno y reduciría la inhibición del
amoníaco. Esto se debe a que, mayor es la presión más soluble es el
amoníaco en la fase acuosa. Pero esto también aumentará la formación H2S
que resultaría en la inhibición de ácido sulfhídrico (H2S) en la actividad de
metano. La presencia de trazas de oxígeno en el espacio gaseoso oxidaría el
H2S en SO2 (dióxido de azufre) y reduciría las reacciones de H2S en el espacio
y promovería la actividad del metanógeno.
2.1.4.5. Tiempo de retención hidráulica (TRH):
El tiempo de retención hidráulica se define como la relación entre el volumen
del digestor activo y el del caudal volumétrico en el digestor. TRH
generalmente compensa la mezcla en el digestor (Faisal & Unno, 2001). Un
mayor TRH resultaría en la digestión completa, pero podría reducir la
capacidad y la escala de operación cuando la TRH es demasiado más baja
aumentaría la perturbación y el cambio de los parámetros operativos como el
pH, la temperatura, etc. y afectaría a la producción de gas (Jyothilakshmi &
Prakash, 2016). El TRH también depende del tipo y composición del sustrato
utilizado para el proceso, pero sobre todo, con la mezcla adecuada de los
componentes del digestor, para un proceso de digestión de una sola etapa,
TRH alrededor de 20 es óptimo y sin mezclar, TRH del rango 30 a 40 es
necesario para una digestión adecuada.
En un proceso de digestión anaeróbica de dos etapas, TRH se puede tomar
hasta el orden de 12 a 15.
2.1.4.6. Tasa de carga orgánica (TCO):
La tasa de carga orgánica se define como la cantidad en masa (kilogramos)
de sólidos volátiles que se introducen en el digestor por unidad de tiempo por
11
unidad de volumen de trabajo del digestor. Las tasas de carga orgánicas en
el rango de 1 a 3 kg VS/m cúbico/día es un buen rango de operación en la
alimentación de entrada al digestor (Y. Xiao et al., 2019). La mezcla de TCO
4 kg VS/m cúbico/día resultaría en acumulación de ácidos grasos volátiles y
acidez del digestor. La producción de gas está muy obstaculizada en este
estado y el tratamiento alcalino con carbonato de calcio (CaCO3) ayuda en la
recuperación del digestor en esta situación.
2.1.4.7. Alcalinidad
La alcalinidad se define como la capacidad amortiguadora de la fase de agua
para neutralizar los ácidos y es usualmente la medida de carbonatos,
bicarbonatos, hidróxidos y ocasionalmente, boratos, silicatos y fosfatos (Barati
et al., 2017). Se expresa en miligramos de carbonato de calcio equivalente por
litro. El rango óptimo de alcalinidad es 1500 y 5000 mg/L digestor anaeróbico.
2.1.4.8. Toxicidad
Los metales pesados como el cobre, el níquel, el cromo, el zinc y el plomo son
esenciales para la hilera bacteriana en pequeñas cantidades, pero las
cantidades más altas tendrán un efecto tóxico.
Los iones minerales, los metales pesados y los detergentes son algunos de
los materiales tóxicos que inhiben el crecimiento normal de bacterias en el
digestor anaeróbico (Han et al., 2016). Las bajas concentraciones de
minerales (sodio, potasio, calcio, magnesio, amonio y azufre) estimulan el
crecimiento bacteriano, pero se vuelven inhibitorios a medida que aumentan
las concentraciones.
Los siguientes son algunos tóxicos que se sabe que causan problemas en los
sistemas de digestión anaeróbica (DA):
Los residuos sólidos que contienen amoníaco y nitrógeno, o sus precursores,
son motivo de preocupación debido a los posibles efectos inhibitorios del
amoníaco en los consorcios microbianos DA (Hasan & Ammenberg, 2019).
Por último, la acumulación de amoníaco- nitrógeno puede dar lugar a la
acumulación no detectada de ácidos grasos volátiles (AGV) porque el
12
amoníaco mantendrá el pH por encima de 8.
La toxicidad por sulfuro es un problema común con los residuos orgánicos que
contienen altas concentraciones de sulfato. El sulfato se utiliza principalmente
como un aceptador de electrones en el tratamiento de residuos orgánicos, los
niveles de inhibición de algunos de los principales se indican en la Tabla 1.
Tabla 1
Nivel tóxico de varios inhibidores
S. N. Inhibidores Inhibición Concentración
1. Sulfato (SO4)-2 5.000 ppm
2. Cloruro de sodio 40.00 ppm
3. Nitrato (calculado como N) 0.05mg/mL
4. Cobre (Cu+2) 100 mg/L
5. Cromo (Cr+3) 200 mg/L
6. Níquel -Ni-3) 200 - 500 mg/L
7. Sodio (Na+) 3.500 - 5.500 mg/L
8. Potasio (K+) 2.500 - 4.500 mg/L
9. Calcio (Ca+2) 2.500 - 4.500 mg/L
10. Magnesio (Mg+2) 1.00 - 1.500 mg/L
11. Manganeso (Mn+2) Por encima de 1.500 mg/L
Nota. Esta lista presenta algunos de los principales inhibidores, que al estar
en contacto en concentraciones muy altas de los minerales iones producen un
efecto tóxico, recordando que en cantidades adecuadas estimulan el
crecimiento de las bacterias. Tomado y traducido de (P. O. Ayoola, 2020).
2.1.5. Biogás
El biogás es la mezcla de gases liberados durante el proceso de digestión
anaeróbica de sustancias biodegradables bajo la acción de bacterias
anaeróbicas facultativas y obligatorias (O’Shea et al., 2020). El biogás
comprende principalmente de metano en el rango de 50-75 % de metano en
volumen, up a 25-50 % de CO2, 0-10 % N2, 0-1 % H2, y 0-3 % H2S. En la tabla
siguiente se muestran las propiedades típicas del biogás.
13
Tabla 2
Propiedades del biogás
N° Propiedad Valor
1 Contenido energético 6-6,5 kWh/m3 20 MJ/m3
2 Equivalente de combustible 0,6-0,65 L de petróleo (0,57 GLP)
/ m3 de biogás
3 Límites de explosión 6-12% biogás en el aire
4 Temperatura de encendido 650-750 °C
5 Presión crítica 74-88 bar
6 Temperatura crítica -82.5 °C
7 Densidad normal 1,2 kg/m3
8 Olor Huevo podrido (el olor del biogás
sulfurado es imperceptible)
9 Eficiencia de combustión 60 % en cocinas
10 Peso molar 16.043 kg kmol-1
Nota. Los valores corresponden a las propiedades presentes en el biogás
como fuente calorífica. Adaptado de (FAO et al., 2011).
2.1.6. Modelos de digestión anaeróbica
Existen algunos modelos valiosos para replicar la biodegradación de sustratos
naturales complejos (Nagarajan et al., 2019). En la mayoría de esos modelos,
los sustratos se consideran de proteínas, lípidos y carbohidratos, donde se
toman algunas inhibiciones en el registro y por lo tanto los modelos se centran
especialmente en la degradación de la biomasa lingo celulósica. Otros
modelos se centran en los parámetros generales de diseño de la planta de
biogás.
2.1.7. Demanda de oxígeno biológico y químico
La Demanda Biológica de Oxígeno (DBO)
es una medida de la cantidad de contaminantes orgánicos disueltos que
pueden ser eliminados en oxidación biológica por las bacterias. Se expresa
en mg/l.
14
La Demanda Química de Oxígeno (DO5)
mide la cantidad de contaminantes orgánicos disueltos que se puede eliminar
en la oxidación química, añadiendo ácidos fuertes. Se expresa en mg/l.
Figura 1
Diagrama de la Digestión Anaeróbica
Nota. Se describe la función de la digestión bacteriana. 1, hidrólisis donde las
unidades de carbohidratos inorgánicos se convierten en solubles. 2,
fermentación las unidades de carbohidratos solubles se convierten en grupos
de ácido carboxílico en este paso. 3, acetogénesis los productos de este paso
incluyen acetato, dióxido de carbono y masa celular de pasos bacterianos. 4
metanogénesis, los principales productos de este paso son el metano y el
dióxido de carbono. Adaptado de (Ausiello et al., 2015).
15
2.1.8. Diseño básico del digestor
2.1.8.1. Una etapa vs. Dos etapas
Algunos fabricantes diseñan sus sistemas AD (digestor anaeróbico) para la
primera y la segunda fase que se producen en un tanque. Otros dividen las
fases en dos tanques con el fin de optimizar las condiciones de funcionamiento
de cada uno. La digestión de una sola etapa es un diseño simple con una
trayectoria más larga, y tiene costos de capital y problemas técnicos.
Los sistemas de dos etapas tienen tiempos de retención más bajos a medida
que se optimiza el diseño de cada etapa. Hay un rendimiento de gas
potencialmente más alto con sistemas de dos etapas, pero mayores costos de
capital. La generación de biogás varía según el material. La información
comparativa sobre el biogás es limitada en la fuente de productos orgánicos
separados o en flujos mixtos de residuos.
2.1.8.2. Húmedo vs Seco.
La humedad se añade a la corriente de residuos entrante, que es pre
procesada por una serie de tecnologías diferentes. El mayor contenido de
humedad de la digestión húmeda es una ventaja para los programas con
muchos plásticos, ya que el plástico se puede flotar antes de digestión. La
digestión húmeda normalmente resulta en una pérdida de sólidos volátiles de
la corriente de residuos entrantes, y esto puede conducir a menores
rendimientos de gas.
La digestión húmeda también utiliza más de la energía generada a partir del
biogás (hasta un 50 por ciento) para necesidades de energía en la planta más
altas (bombeo, deshidratación) que las tecnologías de digestión en seco (20
a 30 por ciento de energía se requiere típicamente para las necesidades en la
planta).
2.1.8.3. Alimentación por lotes
Existen sistemas de biogás diseñados para digerir residuos vegetales
residuos sólidos por sí solos. Dado que los identificadores de planta no fluirán
16
a través de tuberías, este tipo de digestor se utiliza mejor como un digestor de
un solo lote. El tanque se abre, la suspensión vieja se retira para su uso como
fertilizante y se añade la nueva carga, a continuación, el tanque se vuelve a
sellar y está listo para su funcionamiento.
Dependiendo del material de desecho y la temperatura de funcionamiento, un
digestor por lotes comenzará a producir biogás, aumentará lentamente en la
producción y luego caerá después de uno o meses de remolque. Por lo tanto,
los digestores por lotes se operan mejor en grupos, de modo que al menos
uno siempre está produciendo cantidades de gas.
La mayoría de la materia vegetal tiene una relación de carbono mucho mayor
que el nitrógeno contenido en el estiércol, por lo que algunos productores de
nitrógeno (preferiblemente orgánico) deben añadirse a la materia vegetal,
especialmente cuando se utiliza la digestión por lotes (Camacho et al., 2017).
Sin embargo, la materia vegetal produce aproximadamente ocho veces más
biogás que el estiércol, por lo que la cantidad requerida es mucho menor para
la misma producción de biogás. Una mezcla de estiércol y materia vegetal es
por lo tanto ideal en la mayoría de los aspectos, con la mayoría de vegetales
para proporcionar el biogás y el valioso metano contenido en él.
2.1.8.4. Ventajas de los digestores por lotes
Los digestores por lotes tienen ventajas cuando la disponibilidad de materias
primas es esporádica o se limita a los desechos de plantas gruesas (que
contienen materiales no digeribles que se pueden eliminar convenientemente
cuando se vuelven a cargar los digestores por lotes). Además, los digestores
por lotes requieren menos atención diaria.
2.1.8.5. Desventajas de los digestores por lotes
Los digestores por lotes tienen como desventajas la demanda de una gran
cantidad de energía para vaciarlos y cargarlos, así como la producción de gas
y lodos que tienden a ser bastante esporádicas. Sin embargo, este problema
puede evitarse mediante la construcción de varios digestores por lotes
conectados al mismo almacenamiento de gas. De esta manera, los digestores
17
individuales se pueden rellenar en una secuencia escalonada para garantizar
un suministro relativamente constante de gas.
2.1.9. Digestores de carga continua
Con digestores de carga continua, se añade una pequeña cantidad de materia
prima al digestor todos los días. Los digestores de carga continua son
especialmente eficientes cuando las materias primas consisten en un
suministro regular de desechos fácilmente digeribles de fuentes cercanas,
como estiércol de ganado. Los digestores de alimentación continua pueden
ser de dos diseños básicos, mezcla vertical o desplazamiento, los digestores
de mezcla vertical consisten en cámaras verticales en las que se añaden
materias primas. Se suspende a través del digestor y se desborda en la parte
superior.
Diseños de una sola cámara los lodos digeridos o "gastados" los lodos se
pueden retirar directamente de tuberías de efluentes. En diseños de doble
cámara, la suspensión gastada, ya que desborda la parte superior, fluye hacia
una segunda cámara donde la digestión continúa hasta un mayor grado de
finalización.
Figura 2
Digestión Continua
Nota. Los digestores de alimentación continua pueden ser de dos diseños básicos
tanto de mezcla vertical o desplazamiento. Adaptado y elaborado por el autor.
18
Los digestores de desplazamiento consisten en un cilindro largo que se
encuentra paralelo al suelo (por ejemplo, tubos interiores, tambores de aceite,
soldados extremo en el extremo, coches cisterna, etc.). A medida que se
digiere el purín se desplaza gradualmente hacia el extremo opuesto, pasando
un punto de máxima fermentación en el camino.
En digestores de mezcla vertical, la materia prima está sujeta a un movimiento
de bombeo vertical y a menudo escapa a la acción localizada de digerir
bacterias. Los purines introducidos a la vez se pueden retirar fácilmente poco
después como material de digestión incompleta. Cualquier digestor de carga
continua eventualmente acumulará suficiente escoria y partículas sólidas sin
digerir para que tenga que ser limpiado. El lavado periódico de digestores de
desplazamiento es considerablemente más fácil que el excavador de mezcla
vertical. El sistema que produce es diferente a otros sistemas de digestión de
residuos orgánicos en el que no se trata de un proceso por lotes, sino de un
proceso continuo que permite la ingesta continua de materias primas y la
eliminación continua de los productos de salida, reduciendo así el requisito de
residuos y el sistema de productos.
Una ventaja aún más significativa de este sistema es que la velocidad de
procesamiento se puede ajustar de forma constante y automática para
garantizar la digestión completa del material de desecho que pasa a través de
él, asegurando así que los productos de salida sean limpios y libres de
residuos tóxicos o no digeridos. Esto ofrece no sólo beneficios ambientales,
sino también un buen potencial de inversión. Los bajos costes de construcción
y operación dan potencial para un alto retorno de la inversión por la venta de
los productos de producción y de la recogida de «tasas de compuerta» para
la recepción de materiales de desecho.
La producción de gas se puede acelerar y hacer más consistente alimentando
continuamente el digestor con pequeñas cantidades de residuos diariamente.
Si se utiliza un sistema de alimentación continua, entonces es esencial
asegurarse de que el digestor es lo suficientemente grande como para
contener todo el material que será alimentado a través de todo un ciclo de
digestión. Una solución es utilizar un doble digestor, consumiendo los residuos
19
en dos etapas, con la parte principal del biogás (metano) que se produce en
la primera etapa y la segunda etapa terminando la digestión a un ritmo más
lento.
2.1.9.1. Agitación
Algún método de agitación de la suspensión en un digestor es siempre
ventajoso, si no esencial. Si no se agita, la suspensión tenderá a asentarse
fuera y formar una escoria dura en la superficie, lo que evitará la liberación del
biogás.
Este problema es mucho mayor con los residuos vegetales que con el
estiércol, que tenderá a permanecer en suspensión y tener mejor contacto con
las bacterias como resultado. La alimentación continua causa menos
problemas en esta dirección, ya que la nueva carga romperá la superficie y
proporcionará una acción de agitación rudimentaria.
2.1.9.2. Encima o abajo tierra
Las plantas de biogás construidas sobre el suelo deben estar hechas de acero
para soportar la presión interior y generalmente es más simple y más barato
construir el digestor bajo tierra. Esto también hace que la alimentación por
gravedad del sistema sea mucho más simple. El mantenimiento es, sin
embargo, mucho más simple para los sistemas construidos sobre el suelo y
un revestimiento negro ayudará a proporcionar un poco de calentamiento.
Esto debe dejar claro que el biogás no es sólo un sueño, sino una aplicación
práctica y el uso de un producto de desecho.
20
2.2. FUNDAMENTACIÓN LEGAL
Ley orgánica de eficiencia energética capítulo i disposiciones
fundamentales
Art. 1.- La presente Ley tiene por objeto establecer el marco legal y régimen
de funcionamiento del sistema nacional de eficiencia energética (SNEE), y
promover el uso eficiente, racional y sostenible de la energía en todas sus
formas, a fin de incrementar la seguridad energética del país; al ser más
eficiente, aumentar la productividad energética, fomentar la competitividad de
la economía nacional, construir una cultura de sustentabilidad ambiental y
eficiencia energética, aportar a la mitigación del cambio climático y garantizar
los derechos de las personas a vivir en un ambiente sano y a tomar decisiones
informadas. El ámbito de esta Ley se circunscribe a todas las actividades de
carácter público o privado, institucional o particular, para las que se efectúe
una transformación y/o consumo de energía de cualquier forma y para todo
fin (Asamblea Nacional República del Ecuador, 2019).
Art. 2.- Declaración de Interés Nacional. - Se declara de interés nacional y
como política de estado, el uso eficiente, racional y sostenible de la energía,
en todas sus formas, como elemento clave en el desarrollo de una sociedad
solidaria, competitiva en lo productivo y preocupada por la sostenibilidad
económica y ambiental. El plan nacional de desarrollo debe contemplar dentro
de sus procesos y lineamientos, elementos destinados específicamente a la
política nacional de eficiencia energética y al uso racional de la energía.
Art. 3.- En materia de eficiencia energética, son principios de la presente Ley,
todos los que emanan de la Constitución de la República, de los instrumentos
internacionales ratificados por el Ecuador, de leyes de la materia y los
contemplados en esta Ley:
1. Racionalización del consumo energético y preservación de recursos
energéticos, renovables y no renovables;
2. Mejoramiento de la productividad y la competitividad a través de la
reducción de costos por uso eficiente de la energía;
21
3. Promoción de energía limpia y reducción de emisiones de gases de efecto
invernadero;
4. Fomento de una cultura nacional orientada al uso eficiente de los recursos
energéticos; y,
5. Transparencia e información adecuada para los consumidores y tomadores
de decisión.
Art. 4.- Para efectos de aplicación de esta Ley, se tiene en cuenta las
siguientes definiciones:
1. Auditoría energética: Estudio técnico económico realizado por un tercero,
prestador de servicios energéticos, a una unidad (empresa, industria,
vivienda, comercio, edificio, entre otros) para evaluar y comprobar si la
gestión energética en la misma está optimizada, es decir, si se puede
ahorrar en gasto energético o no. Y en caso de existir margen de ahorro, el
estudio explicará dónde y cómo se puede conseguir.
2. Consumidor de energía: Es toda persona natural o jurídica calificada,
domiciliada en el país, que como producto del desarrollo de sus actividades
consume algún tipo de energía.
3. Eficiencia energética: Es el conjunto de acciones que permiten optimizar la
relación entre la implementación de diversas medidas de gestión, de
hábitos culturales en la comunidad e inversiones en tecnologías más
eficientes, sin afectar al confort y calidad de vida de la población.
4. Etiquetas de eficiencia energética: Son fichas informativas o clasificadoras
adheridas a los productos (electrodoméstico, maquinaria, vehículos,
viviendas, etc., entre otros) como indicador del consumo y gasto de
energía, con el objetivo de proporcionar a los consumidores información
comparativa de sus rendimientos como datos necesarios para la
adquisición.
5. Indicador de eficiencia energética: cuantifica la relación entre el consumo
energético y el desempeño en las actividades que realiza el consumidor de
22
energía.
6. PLANEE: Plan Nacional de Eficiencia Energética.
7. Productividad energética: es la relación entre la cantidad de bienes o
servicios y la energía consumida para producirlos.
8. Uso racional y eficiente de la energía: Son las prácticas conscientes de los
individuos y la adopción de hábitos y cambios tecnológicos que intentan
evitar el desperdicio en el uso de la energía en la cadena energética,
conveniente en términos económicos, asegurando un igual o superior nivel
de calidad y una reducción del impacto ambiental negativo.
9. Servicios energéticos: Son las acciones y/o actividades que pueden incluir
entre otras, el desarrollo de estudios, ensayos, auditorías, mediciones;
instalación, realización del diseño técnico/económico, financiamiento,
planificación estratégica de la implementación de las medidas para mejorar
el uso racional y eficiente de la energía y reduciendo los costos de
mantenimiento de las instalaciones ajustándolas a los requerimientos de su
cliente.
10. Sistema de Gestión de Energía, SGE: Es el conjunto de elementos y
medidas planificadas dentro de una organización para definir una política y
alcanzar los objetivos y metas establecidas en cuanto a uso y consumo de
energía.
Art. 20.- El Estado ecuatoriano favorecerá la investigación científica y el
desarrollo tecnológico en el ámbito de la eficiencia energética y uso racional
de la energía a nivel de universidades, escuelas politécnicas, centros de
investigación, y pudiendo contar con la participación de empresas nacionales
que se involucren en los proyectos de investigación. La Secretaría de
Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación en coordinación con el
CNEE será el ente encargado de coordinar las actividades de investigación
en esta materia que sean financiadas por el Estado ecuatoriano.
23
CAPÍTULO III
Marco metodológico
24
3. Marco Metodológico
El marco metodológico involucra decidir las estrategias procedimientos, y la
operacionalidad de los métodos para conseguir los objetivos planteados en la
investigación. De acuerdo con la (Albarracín, 2016), la metodología es “llevar
a la práctica los pasos generales del método científico, al planificar las
actividades sucesivas y organizadas donde se encuentran las pruebas que se
han de realizar y las técnicas para recabar y analizar los datos”.
La estructura para el desarrollo de la presente investigación está basada en
los siguientes puntos: tipo, enfoque y diseño de la investigación, técnicas e
instrumentos de recolección de información, análisis de los resultados análisis
estadístico de los datos, técnicas para la formulación de la propuesta.
3.1. Tipo de investigación
Para entender la idea de lo que se va hacer se tomara en cuenta lo que indica
(Hernández Sampieri et al., 2014), que la “gestación del diseño del estudio
representa el punto donde se conectan las etapas conceptuales del proceso
de investigación como el planteamiento del problema, el desarrollo de la
perspectiva teórica y las hipótesis con las fases operativas”.
Este estudio también es de tipo descriptivo ya que se establecieron criterios
técnicos para la identificación de los materiales y equipos que se utilizaron
para el diseño del experimento. Tal como lo describe Hernández Sampieri et
al., (2014), que “los aspectos, dimensiones o componentes permiten
identificar en detalle para así proceder a describir el fenómeno que se
investiga”.
3.2. Enfoque de la investigación
Tomando en consideración que el diseño es experimental y las variables de
estudio abarca más de un tipo se establece el uso de un enfoque mixto como
lo explica Hernández Sampieri, et. al. (2014), el cual “implica un conjunto de
procesos de recolección, análisis y vinculación de datos cuantitativos y
cualitativos en un mismo estudio o una serie de investigaciones para
responder a un planteamiento del problema”. Se utiliza instrumentos que
25
permitirán cuantificar la expansión demográfica en un determinado tiempo, así
como un enfoque de cualidades al determinar niveles de influencia ha tenido
la variable de estudio.
3.3. Diseño de la investigación
Según lo que indican Hernández Sampieri et al. (2014), el termino diseño
describe al plan o estrategia que se concibe para responder a las preguntas
de la investigación”. El trabajo presenta un enfoque de investigación mixto y
al mismo tiempo un tipo de investigación cualitativa y descriptiva.
El diseño propuesto en esta investigación es experimental ya que se la realiza
la manipulación deliberada de las variables, en otras palabras, lo que se
realizó fue un diseño donde el investigador manipuló el proceso, para
posteriormente poder analizarlos.
3.4. Ubicación geográfica de la investigación
El trabajo de investigación se lo realizó en el sitio Monte Oscuro del cantón
Santa Ana en la Provincia de Manabí de la República del Ecuador.
Figura 3
Mapa del Sitio Monte Oscuro del Cantón Santa Ana
Nota. Elaboración propia
26
3.5. Técnicas e instrumentos de recolección de información
3.5.1. Técnicas
Monitoreo
Se analizó a través de esta técnica muestras del experimento, para conocer
el estado de las reacciones físicas y químicas como la presión, temperatura y
el pH, datos importantes en el experimento tomando en consideración que
estos influyen en el proceso.
Observación directa e indirecta
Se utilizó como técnica la observación directa e indirecta, al ser una de las
más usadas dentro de la investigación, ya que nos permite conocer, describir
y explicar la realidad del problema investigado.
Revisión de literatura
Esta técnica consistió en la obtención de información de fuentes secundarias,
para la elaboración del marco teórico de la investigación, obteniéndola
indirectamente a través de libros y artículos de investigaciones. Según la
revisión de la literatura se encontró que un biodigestor es un Tanque, el cual
cerrado herméticamente va a generar gas ya que los desechos orgánicos se
fermentan en presencia de una porción determinada de agua, produciendo
gas metano.
3.5.2. Materiales utilizados en el biodigestor
Acoples y accesorios
• Neplos
• Uniones
• Codo
• Manómetro
• Termómetro bimetálico
• Sellador
27
• Manguera para gas
• Tanque de plástico
• Medidor de pH
Materia prima
• Agua
• Estiércol de ganado bovino
• Residuos orgánicos
• Acelerantes para fermentación
Equipo general
• Software Arcgis 10.5
• Word 2016
• Excel 2016
• Gas Sim 2.5
• Celular con cámara fotográfica
Los residuos orgánicos mencionados hacen referencia a restos originados en
la cocina y los acelerantes usados están representados por melaza y leche.
3.5.3. Costo operacional
Los valores correspondientes a la adquisición de los materiales utilizados,
para el presente trabajo se basan en precios generales del mercado tomando
en consideración que hay fluctuaciones de precios dependiendo de marcas y
tipo de material. A continuación, se enlista en detalle el presupuesto utilizado
para la fabricación del digestor:
28
Tabla 3
Costo Operacional
Materiales para el digestor
Detalle Cantidad Valor U. Total
Neplo ½ " 8 0,40 3,20
Unión ½ " 4 0,50 2,00
Codo y T ½ " 5 0,60 3,00
Llave de paso 2" 1 8,00 8,00
Tubo PVC de 2" 1 3,00 3,00
Teflón 2 1,00 2,00
Sellador 1 4,60 4,60
Manómetro 1 5,00 5,00
Manguera para gas 1 4,00 4,00
Tanque plástico 1 20,00 20,00
Total 54,80
Equipo de monitoreo
Termómetro 1 10,00 10,00
Medidor de pH 1 20,00 20,00
Medidor de TDS 1 25,00 25,00
Total 55,00
Nota. Estos valores corresponden a los materiales adquiridos para la
construcción del digesto y del equipo de monitoreo periódico. Elaboración
propia.
3.5.4. Análisis estadístico de los datos
Para el análisis estadístico de los datos tabulados que se recolectaron en el
proceso del experimento, se utilizó el software estadístico Excel versión 2016
para el cálculo de los resultados, tanto para la presentación gráficas de las
cantidades, así como de las tablas.
29
3.5.5. Métodos analíticos
El pH se midió utilizando un termómetro colocando en la parte superior del
biodigestor. La temperatura se midió utilizando el termómetro mediante
muestreo a varios niveles. Los sólidos totales (TS) y los sólidos volátiles (VS)
se estimaron utilizando un equipo portátil de medidor de TDS. La producción
de gas se observó por el aumento de la presión en el manómetro. El exceso
de volumen del líquido se colectó en una botella plástica transparente tal como
se muestra en la figura 5.
Figura 4
Medición de Cambios de Temperatura y Presión
Nota. Monitoreo de presión, pH, temperatura y ST. Elaboración propia.
para el monitoreo de la producción de gas metano se utilizó el método Gas
Sim y de acuerdo a (Clavero Rodrigo, 2016), indica que es “un modelo
probabilístico en el que la incertidumbre de ciertos parámetros puede
representarse mediante un modelo de simulación que proporciona medida del
efecto de dichas incertidumbres”, a través de un software especializado en su
versión gratuita.
Para el cálculo del biogás se tomaron como referencia los datos de tiempo de
30
retención hidráulica, tasa de carga orgánica y presión que fueron administrada
al software para su cálculo especifico.
3.5.6. Propiedades del residuo orgánico
El residuo orgánico que se utilizó en esta investigación corresponde a estiércol
de vaca, el cual posee las propiedades que se describen en la tabla 4.
Tabla 4
Composiciones Generales Típicas del Sustrato Utilizado
Parámetro Estiércol de vaca
Contenido de humedad (%) 66-73,6
Sólidos totales (% p/p) 13.52
Sólidos volátiles (%) 81.71
pH 7.1
Temperatura oC 30
Nota. Se describe los valores de la composición del estiércol de bovino fresco.
Adaptado de (Barrós Torres et al., 2018).
31
CAPÍTULO IV
Análisis y discusión de los resultados
32
4. Análisis y discusión de los resultados
El presente trabajo se centró en el diseño de un biodigestor anaeróbico para
la producción de biogás en el sitio Monte Oscuro del cantón Santa Ana, para
lo cual se propusieron varios objetivos específicos, cuyos resultados se
presentan a continuación:
4.1. Resultados del primer objetivo
El objetivo que se propuso fue el de describir los criterios de diseño para un
rendimiento óptimo, para lo cual se presenta a continuación los procesos para
su ejecución:
4.1.1. Proceso de construcción
En el experimento, se utilizó un tanque plástico como digestor de con volumen
de trabajo de lodos de 45L., la tubería se utilizó para transferir el gas
acumulado en la superficie del líquido en el digestor hasta la salida de gas
para su uso.
Figura 5
Tanque de Plástico Para la Digestión Anaeróbica
Nota. El tanque se utiliza como digestor de la materia orgánica, mediante procesos
anaeróbicos. Elaboración propia.
33
Etapas
1. Se eligió un recipiente que actuará como tanque digestor, en este caso un
tanque plástico con tapa de cierre hermético (figura 4), de una capacidad
de 100L.
2. Se realizaron agujeros en el tanque para entrada y salida. Para esto se
tomó un tubo de hierro viejo y se lo calentó para hacer los agujeros.
Precaución: la varilla debe estar muy caliente.
3. Se insertó el manómetro de 100 PSI, para el monitoreo constante de la
presión en el digestor al costado del tanque.
4. Se instaló sobre el tanque un termómetro de 0 a 120 °C, para el monitoreo
constante de los cambios de temperatura durante el proceso del
experimento.
5. Se conectó una manguera en la parte superior para la salida del gas, la
cual se segmento en dos partes y se la unió con una “T”, la misma que
servirá para evacuar los líquidos que se escapen en forma de vapor y
precipiten en un recipiente, que en este caso sería una botella de agua
vacía.
6. Se abrió el pase de gas para comprobar el poder calorífico del gas
mediante un mechero al final de la manguera.
4.1.2. Inoculación
El sistema de autoinoculación se desarrolló utilizando purines de estiércol de
vaca (4/5 por volumen en agua) como cultivo microbiano de mezcla al
mantenerlo durante 10 días en las condiciones anaeróbicas y mesófilas.
Durante el tiempo del experimento, se comprobó el rendimiento del digestor
para la producción de biogás mediante mediciones periódicas, cuando el pH
fue consistente después de 10 días, el digestor se utilizó para conducir un
estudio semi continuo en desechos vegetales.
34
Variación del PH) 7,4
7,2
7
6,8
6,6
6,4
6,2
6
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 15 17 20
Tiempo (días)
4.1.3. Variación del pH:
El pH es uno de los parámetros más influyentes en la producción de biogás.
pH en un digestor anaeróbico es el equilibrio del efecto competitivo de la
producción de gas que fue responsable de la naturaleza ácida y la producción
de amoníaco libre e iones hidroxilo son responsables de la naturaleza básica.
Un pH más alto > 7,6 inhibiría la actividad metanogénica, mientras que un pH
más bajo < 6,3 obstaculizaría la producción de biogás. Por lo tanto, las tasas
de producción equilibradas deben mantener el pH necesario (6,5 a 7,6) para
la actividad óptima de los metanógenos (Ing. Hilbert, 2003).
En los valores obtenidos al medir el pH se pudo observar que este se mantuvo
en un rango de (mín - máx) como se muestra en figura 6, las mediciones
realizadas entre los 7 y 20 días de evaluación muestran valores de pH que
fluctúan en el rango neutro: estos resultados permiten obtener tasas de
producción equilibradas, ya que permiten una actividad óptima de los
metanógenos. De acuerdo a lo manifestado por (FAO et al., 2011), quien
sostiene que el pH necesario para la producción equilibrada oscila entre 6,5 y
7,6 donde pH inferiores a 6,3 obstaculizan la producción de biogás y pH
superiores a 7,6 inhiben la actividad metanogénica.
Figura 6
Variación del pH de la Suspensión del Digestor
Nota. Niveles del pH durante el proceso de digestión durante 20 días.
Elaboración propia
35
Variación de la Temperatura 34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 15 17 20
Tiempo (días)
4.1.4. Variación de temperatura
La temperatura fue un parámetro importante que influyó en la tasa de digestión
y la eficiencia. También indica el progreso de la digestión en el reactor. La
digestión mesofílica en el rango de 30 - 45 °C es fácil y conveniente para
operar el digestor anaeróbico.
En el reactor la temperatura se registró como se muestra en la figura 7. La
temperatura del sustrato fue de 28 °C durante la alimentación y fue
aumentando constantemente con el tiempo indicando el progreso de la
digestión anaeróbica.
Figura 7
Cambio en la Temperatura Dentro del Digestor
Nota. Se registro los cambios de temperatura en grados centígrados durante
20 días. Elaboración propia
4.2. Resultados del segundo objetivo
El objetivo propuesto es, demostrar la eficacia del digestor anaeróbico como
un medio rentable de minimización de residuos y producción de energía.
36
Producción de gas 5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 15 17 20
Tiempo (días)
4.2.1. Producción de gas
La producción de biogás estuvo influenciada por factores como tiempo de
retención hidráulica (TRH), tasa de carga orgánica (TCO), concentración de
presión, temperatura y pH de la suspensión del digestor. Una recolección
óptima de parámetros mantendría el equilibrio en actividades acidogénicas,
acetogénicas y metanogénicas y daría un buen rendimiento de gas y mayores
concentraciones de metano.
Durante el estudio sólo se utilizó estiércol de vaca como sustrato para preparar
el sistema autoinoculado con capacidad de auto-buffering. La figura 8, ilustra
el cambio en la producción de gas con el tiempo. Se observó una producción
máxima de 4,5 L en el día 8 de la instalación. Se agregó residuos orgánicos
para continuar con una producción en el digestor semi continua.
Figura 8
Cambio en la Producción de Gas
Nota. La grafica representa los cambios de la producción de gas y su
estabilización a partir del día 7. Elaboración propia a través del software
estadístico de Excel 2016 y Gas Sim 2.5.
37
Tabla 5
Resumen de resultados de la configuración de ejecución del digestor
Duración
TRH
TCO
(Kg/m3 día)
Fracción
(con/p)
Producción
media de gas
(L/día)
Producción
específica
(L/g/día)
1ª Semana 25 1.6 0.04 9.414 0.13
2ª Semana 20 3.5 0.07 26.87 0.17
3ª Semana 16 5 0.08 5.84 0.026
Nota. Valores que se obtuvieron al cargar datos en el sistema Gas Sim. Elaboración
propia
Con lo referenciado en la literatura y los valores obtenidos de los resultados
del trabajo permite expresar que es viable la producción de gas para utilizarlo
como fuente calorífica para uso doméstico, tal como lo evidencia en su trabajo
(Ing. Hilbert, 2003).
La rentabilidad del proyecto es dos aspectos fundamentales, primeramente el
recurso material accesible como los implementos y accesorios necesarios
para el armado del digestor y segundo el ambiental, al ser una fuente
sostenible y sustentable que no afecta al ambiente y ayuda a la reducción de
los residuos orgánicos a su vez lo cual influye en la disminución de los gases
de efecto invernadero generado principalmente por el metano.
4.3. Resultados del tercer objetivo
Para dar cumplimiento al objetivo “determinar su factibilidad económica para
su implementación”, se realizó un análisis del trabajo realizado bajo las
condiciones económicas generales a las cuales iría dirigido el trabajo:
La implementación y fabricación de un biodigestor anaeróbico es de bajo
costo económico, el cual es evidente tanto en el sentido de coste de materiales
como en la inversión de construcción la cual no supera los cien dólares. Pero
los tiempos y la cantidad producida de biogás no satisface completamente las
necesidades requeridas de la vida diaria.
38
A continuación, se hace una referencia de las ventajas y desventajas de este
proceso de acuerdo a la investigación realizada:
Ventajas
Materiales accesibles
Materiales de bajo costo
Minimización de gases efecto invernadero
Reducción de residuos orgánicos
Reducción de consumo energético calorífico
Cero residuos tóxicos
Producción de abonos orgánicos
Desventajas
Mayor coste en instalación domiciliaria
Monitoreo periódico
Baja cantidad de biogás
39
5. CONCLUSIONES
Una vez terminada la investigación del proyecto se concluye:
El diseño implementado no mostro problemas de asfixia en los 20 días de
implementación, además los valores monitoreados de las diferentes
características como el pH, temperatura, presión estaban dentro de los rangos
establecidos en la bibliografía citada.
Los resultados también demostraron que la eficacia del digestor anaeróbico
fue muy alta, tanto en producción de biogás como el lodo sedimentado que al
final de la digestión mostro un contenido de sólidos de casi el 15 % de su masa
inicial. Además, se pudo observar que la el poder calorífico del gas fue
excelente por la coloración de la llama.
Los resultados demuestran que la producción de biogás es factible
económicamente, aunque su instalación a la red domiciliaria y seguridad hace
que se incremente su coste de implementación. La viabilidad se lleva a cabo
al expandir la producción a proporciones mayores donde el biogás generado
pueda satisfacer las necesidades diarias.
40
6. RECOMENDACIONES
Socializar y concienciar los beneficios del uso de biodigestores para la
producción de biogás como alternativa para mejorar la calidad de vida en la
comunidad, por lo que su empleo en la producción de energía alternativa
ayudara a la minimización de la contaminación.
La utilización de biodigestores ofrece grandes ventajas para el tratamiento y
reducción de los residuos orgánicos, al evitar la generación de gases
peligrosos para el ambiente y a la vez que extrae gran parte de la energía
contenida en el material, mejorando así su valor fertilizante y controlando de
manera considerable los olores desagradables.
El uso del biogás para la generación de energía permitirá ahorrar gastos en
energía no renovable, al considerar que este gas es un combustible volátil y
de alto poder calorífico hay que tomar medidas de seguridad en su
implementación y manejo para evitar así cualquier accidente.
41
7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Abunde Neba, F., Asiedu, N. Y., Addo, A., Morken, J., Østerhus, S. W., &
Seidu, R. (2020). Biodigester rapid analysis and design system (B-
RADeS): A candidate attainable region-based simulator for the synthesis
of biogas reactor structures. Computers and Chemical Engineering, 132,
106607. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2019.106607
Albarracín, E. J. G. (2016). Metodología De La Investigación. Cultura de
Emprendimiento Corporativo En Las Micro, Pequeñas y Medianas
Empresas Colombianas, 41–50. https://doi.org/10.2307/j.ctv16zjhvs.5
Asamblea Nacional República del Ecuador. (2019). Ley orgánica de eficiencia
energética. 8.
Ausiello, A., Micoli, L., Pirozzi, D., Toscano, G., & Turco, M. (2015).
Biohydrogen production by dark fermentation of Arundo donax for feeding
fuel cells. Chemical Engineering Transactions, 43, 385–390.
https://doi.org/10.3303/CET1543065
Barati, M. R., Aghbashlo, M., Ghanavati, H., Tabatabaei, M., Sharifi, M.,
Javadirad, G., Dadak, A., & Mojarab Soufiyan, M. (2017). Comprehensive
exergy analysis of a gas engine-equipped anaerobic digestion plant
producing electricity and biofertilizer from organic fraction of municipal
solid waste. Energy Conversion and Management, 151, 753–763.
https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.09.017
Barrós Torres, A., Bruna Lavilla, P., Vallés López, M., Castillo Aranda, A.,
López Elbaile, L., Iguácel Soteras, F., & A. Betrán, J. (2018). Estiércoles.
Caracterización, analítica e implicaciones sobre su aprovechamiento
fertilizante. CENTRO DE TRANSFERENCIA AGROALIMENTARIA,
268(Gobierno de Aragón. Departamento de Desarrollo Rural y
Sostenibilidad. Dirección General de Desarrollo Rural), 40.
https://www.aragon.es/documents/20127/674325/IT_268-
18.pdf/23bb772e-8894-b8f4-525d-0a6e7131db78
Batstone, D. J. (2006). Mathematical modelling of anaerobic reactors treating
42
domestic wastewater: Rational criteria for model use. In Reviews in
Environmental Science and Biotechnology (Vol. 5, Issue 1, pp. 57–71).
https://doi.org/10.1007/s11157-005-7191-z
Camacho, R., Villada, H. S., & Hoyos, J. L. (2017). Evaluación del Estiércol de
Vaca como Inóculo en la Digestión Anaerobia Termófila de Residuos
Sólidos Urbanos. Informacion Tecnologica, 28(3), 29–36.
https://doi.org/10.4067/S0718-07642017000300004
Chini, A., Bolsan, A. C., Hollas, C. E., Antes, F. G., Fongaro, G., Treichel, H.,
& Kunz, A. (2019). Evaluation of deammonification reactor performance
and microrganisms community during treatment of digestate from swine
sludge CSTR biodigester. Journal of Environmental Management, 246,
19–26. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.05.113
Clavero Rodrigo, M. E. (2016). BIOLEACH: un modelo matemático para la
evaluación conjunta de la producción de lixiviados y biogás en vertederos
de RSU. 127.
https://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/74687/Rodrigo -
BIOLEACH%3A un modelo matemático para la evaluación conjunta de la
producción de lixiviad pdf?sequence=2
Faisal, M., & Unno, H. (2001). Kinetic analysis of palm oil mill wastewater
treatment by a modified anaerobic baffled reactor. Biochemical
Engineering Journal, 9(1), 25–31. https://doi.org/10.1016/S1369-
703X(01)00122-X
FAO, MINENERGIA, PNUD, & GEF. (2011). Manual del Biogás. Proyecto
CHI/00/G32, 120. http://www.fao.org/docrep/019/as400s/as400s.pdf
Han, W., Zhao, Y., & Chen, H. (2016). Study on Biogas Production of Joint
Anaerobic Digestion with Excess Sludge and Kitchen Waste. Procedia
Environmental Sciences, 35, 756–762.
https://doi.org/10.1016/j.proenv.2016.07.089
Hasan, A. S. M. M., & Ammenberg, J. (2019). Biogas potential from municipal
and agricultural residual biomass for power generation in Hazaribagh,
43
Bangladesh – A strategy to improve the energy system. Renewable
Energy Focus, 29, 14–23. https://doi.org/10.1016/j.ref.2019.02.001
Hernández Sampieri, R., Fernández Collado, C., & Baptista Lucio, M. del P.
(2014). Metodología de la investigación (Sexta edic). McGRAW-HILL /
INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.
Ing. Hilbert, J. A. (2003). Manual para la producción de biogas. In Instituto de
Ingeniería Rural (Issue I.N.T.A.-Castelar).
https://inta.gob.ar/sites/default/files/script-tmp-
manual_para_la_produccin_de_biogs_del_iir.pdf
Jyothilakshmi, R., & Prakash, S. V. (2016). Design, Fabrication and
Experimentation of a Small Scale Anaerobic Biodigester for Domestic
Biodegradable Solid Waste with Energy Recovery and Sizing
Calculations. Procedia Environmental Sciences, 35, 749–755.
https://doi.org/10.1016/j.proenv.2016.07.085
Kim, J. K., Oh, B. R., Chun, Y. N., & Kim, S. W. (2006). Effects of temperature
and hydraulic retention time on anaerobic digestion of food waste. Journal
of Bioscience and Bioengineering, 102(4), 328–332.
https://doi.org/10.1263/jbb.102.328
Mohammed, M., Egyir, I. S., Donkor, A. K., Amoah, P., Nyarko, S., Boateng,
K. K., & Ziwu, C. (2017). Feasibility study for biogas integration into waste
treatment plants in Ghana. Egyptian Journal of Petroleum, 26(3), 695–
703. https://doi.org/10.1016/j.ejpe.2016.10.004
Nagarajan, D., Lee, D. J., & Chang, J. S. (2019). Integration of anaerobic
digestion and microalgal cultivation for digestate bioremediation and
biogas upgrading. In Bioresource Technology (Vol. 290, p. 121804).
Elsevier Ltd. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.121804
O’Shea, R., Lin, R., Wall, D. M., Browne, J. D., & Murphy, J. D. (2020). Using
biogas to reduce natural gas consumption and greenhouse gas emissions
at a large distillery. Applied Energy, 279.
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.115812
44
P. O. Ayoola. (2020). Development of A Policy Framework for the Growth of
Biogas Technology using Poultry Droppings. International Journal of
Engineering Research And, V9(03), 314–319.
https://doi.org/10.17577/ijertv9is030241
Rathnasiri, P. G. (2016). Dynamic Modelling and Simulation of Pilot Scale
Anaerobic Digestion Plant Treating Source Separated Food Waste and
Effect of Recycling Sludge. Procedia Environmental Sciences, 35, 740–
748. https://doi.org/10.1016/j.proenv.2016.07.082
Scheutz, C., & Fredenslund, A. M. (2019). Total methane emission rates and
losses from 23 biogas plants. Waste Management, 97, 38–46.
https://doi.org/10.1016/j.wasman.2019.07.029
Solé-Bundó, M., Garfí, M., Matamoros, V., & Ferrer, I. (2019). Co-digestion of
microalgae and primary sludge: Effect on biogas production and
microcontaminants removal. Science of the Total Environment, 660, 974–
981. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.01.011
Velázquez de Castro González, F. (2005). CAMBIO CLIMÁTICO Y
PROTOCOLO DE KIOTO. CIENCIA Y ESTRATEGIAS. COMPROMISOS
PARA ESPAÑA. Revista Española de Salud Pública, 79, 191–201.
http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=17079209
Xiao, C., Liao, Q., Fu, Q., Huang, Y., Xia, A., Shen, W., Chen, H., & Zhu, X.
(2019). Exergy analyses of biogas production from microalgae biomass
via anaerobic digestion. Bioresource Technology, 289, 121709.
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.121709
Xiao, Y., Yang, H., Yang, H., Wang, H., Zheng, D., Liu, Y., Pu, X., & Deng, L.
(2019). Improved biogas production of dry anaerobic digestion of swine
manure. Bioresource Technology, 294, 122188.
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122188
Zhang, Q., Hu, J., & Lee, D. J. (2016). Biogas from anaerobic digestion
processes: Research updates. Renewable Energy, 98, 108–119.
https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.02.029
45
ANEXOS
46
Anexo 1.
47
48
